广告

欧盟委员会看好氢燃料电池汽车

2020-07-07 Maurizio Di Paolo Emilio 阅读:
充电时间过长是电动汽车的一大痛点。这个问题可以通过为氢燃料电池加氢来解决。那么氢动力汽车如何工作?其优缺点是什么?

为了在2050年到来之前实现气候中和(climate neutral)的目标,欧盟委员会(EC)近日宣布了称为“清洁氢能联盟”的工业战略计划。EC、欧洲燃料电池与氢能源行业、以及各研究机构之间的合作,将促使欧洲能源独立并开发零排放汽车。RQ9ednc

从电动汽车到氢动力汽车?

让下一代汽车产生更少的有害物质和更少的噪音是汽车制造商的共同目标,为此,全球的厂商都在研发电动汽车(EV)。然而,充电时间过长是电动汽车的一大痛点。RQ9ednc

这个问题可以通过为氢燃料电池加氢来解决。氢电池采用的能源与宇宙飞船到达地球轨道的能源是一样的。那么氢动力汽车如何工作?其优缺点是什么?RQ9ednc

氢动力汽车硬件

氢动力汽车将化学能转化为动能。氢内燃机汽车(HICEV)与传统内燃机工作原理相同,只是将燃料换成了氢。还有一种方法是让氢在燃料电池中与氧发生反应,从而产生电能。这种类型的汽车称为燃料电池电动汽车(FCEV),它由电动机驱动,由车载发电系统来生产和管理氢。近年来,FCEV已经越来越多地引起制造商的关注。RQ9ednc

氢动力汽车的一个优势在于它不排放污染环境的有害物质,仅排放水蒸气,而不是温室气体和微粒(图1和图2),因此对环境几乎没有影响。但是,氢能源交通对环境的总体影响取决于产生氢的能源。氢是宇宙中储量最丰富的化学元素,却不以天然的形式存在。因此,它并不是完全可再生的资源,必须通过生产来获得。如果利用可再生能源生产氢气,则对环境的影响最小。相反,如果采用化石原料生产,则对环境的影响大得多。RQ9ednc

RQ9ednc

图1:氢动力汽车功能框图。在燃料电池中,氢气和氧气发生化学反应产生电能,电能再被传输到电动机和/或电池中。(图片来源:宝马)RQ9ednc

RQ9ednc

图2:电动汽车和氢动力汽车的对比。(图片来源:InsideEVs.com)RQ9ednc

氢气可以通过两种不同的生产过程和技术获得:重组和电解。重组对环境的影响较大,因为它涉及原油的提取、运输和精炼。电解则是通过电产生化学反应,将H₂O水分子分解为单独的氢原子和氧原子。此过程不会排放污染气体,但需要大量的电力。在电解的过程中,低压电流在水中流过,释放出氧气和氢气。RQ9ednc

氢具有非常高的能量密度,达到40,000Wh/kg,是锂离子电池能量密度的236倍。这意味着氢动力汽车比电池动力汽车重量更轻,并且具有更长的行驶里程。而且,加氢只需要几分钟,而为电动汽车充电则需要几个小时。RQ9ednc

图1显示了氢动力汽车的整体构成。来自储罐的氢与周围环境中的氧在燃料电池中发生反向电解。燃料电池不提供热力燃烧,而是提供电流,它产生的唯一废物是不会发生变化的水。RQ9ednc

燃料电池接收到两种气流:一种是来自负极的氢,另一种是来自正极的氧。氢发动机中的催化剂使电子与原子核分离,这个反应过程会释放电能。电子移动到正极并与氧原子结合,使氧原子接收到负电荷。RQ9ednc

氢与氧结合发生化学反应,其产物为水,最终排放的是水蒸汽,氢燃料汽车可将其直接排放到大气中(如图3和图4)。RQ9ednc

RQ9ednc

图3:电解的通用原理图。RQ9ednc

RQ9ednc

图4:氢动力汽车内部构造。RQ9ednc

燃料电池产生的电流可以直接给汽车供电,或给作为中间媒介的蓄电池(比传统电池小)充电。氢动力汽车跟其他混合动力汽车一样,也可以利用能量采集的方法为电池充电。如同在电动汽车和混合动力汽车中,这种蓄电池用来提供发动机所需的能量,同时回收制动能量。燃料电池产生的电压必须达到600V。RQ9ednc

当汽车低速行驶时,仅由蓄电池提供能量;当汽车以较高的速度行驶时(例如在高速公路上),燃料电池将为发动机提供额外的动力,同时为蓄电池充电。RQ9ednc

氢动力汽车的优缺点

氢动力汽车的优点是可以最大程度地减少排放(它排放的唯一废物是水),能快速添加燃料(氢气),降低了能源消耗,延长了行驶时间。但是,氢燃料的管理还存在一些问题,例如电解需要电力才能完成,而氢气需要存储在充气站/充电站。电解过程会产生损耗也是制氢过程的难题。RQ9ednc

氢动力汽车的缺点是不能随时添加氢燃料。这主要是由于氢气难以储存所致,所以目前市场上的氢气分销商并不多。另外,如同前面所提到的,分离氢的过程会消耗大量能源。RQ9ednc

与汽油或柴油相比,储存氢气需要更大的空间。氢气罐必须足够坚固,能承受约700巴的压力。氢气以气态的形式存储,在-253℃以下时则以液态形式存储。RQ9ednc

加氢的基础设施很少见,因为这需要很大投资。此外,燃料电池汽车的生产成本也大大高于普通汽车。RQ9ednc

与电池动力汽车相比,氢动力汽车可以行驶更长的里程。一辆储满氢气的汽车可以行驶约500公里的距离;而能够行驶如此长距离的电池动力汽车则需要配备巨型电池,这会导致汽车重量增加、充电时间延长。RQ9ednc

市场实例

在欧洲处于领先地位的德国一直专注于氢动力汽车基础设施的建设。到2019年12月,德国已经建好了大约80个氢动力汽车的燃料添加站。RQ9ednc

福特和雷诺等许多制造商也开始制造氢动力汽车,但是他们更愿意投资于电动汽车。相比之下,丰田等公司则一直投入开发这项技术,涉及氢动力汽车的设计、生产和销售等各个环节。RQ9ednc

丰田Mirai采用丰田燃料电池系统(TFCS),这款汽车使用了燃料电池技术和典型的混合动力技术。本田Clarity Fuel Cell也是氢动力汽车,这款日本轿车采用177马力的创新型发动机,行驶距离可达650公里,最高时速达到165公里/小时。其他备受关注的氢动力汽车还包括奥迪H Tron、宝马i Hydrogen Next和现代NEXO。RQ9ednc

氢动力汽车每100公里平均消耗1公斤燃料。氢气的平均价格为每公斤10欧元,因此可以估算出一满罐氢气的成本约为50欧元,而一满罐氢气的平均行驶里程与汽油汽车相当。RQ9ednc

RQ9ednc

图5:全球氢燃料电池电动车产量(图片来源:IHS)RQ9ednc

氢动力汽车与电池动力汽车为未来的绿色交通奠定了基础。FCEV代表零排放技术,使用户可以保持现有的驾驶习惯。另外,氢气的效率是汽油的两倍。不过,我们必须通过可再生解决方案来提高氢气生产能力,要知道减少氢气运输和配送基础设施的成本也很重要。RQ9ednc

(ASPENCORE旗下EETimes欧洲网站,参考链接:EC to Bet on Hydrogen Fuel-Cell Vehicles。)RQ9ednc

本文为《电子技术设计》2020年07月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里RQ9ednc

本文为EDN电子技术设计 原创文章,禁止转载。请尊重知识产权,违者本司保留追究责任的权利。
Maurizio Di Paolo Emilio
Maurizio Di Paolo Emilio拥有物理学博士头衔,也是一名电信工程师和记者。 他曾参与引力波研究领域的各种国际项目,曾与研究机构合作设计空间应用数据采集和控制系统。 他的几本著作曾在斯普林格出版社出版过,并撰写过许多关于电子设计的科学和技术出版物。
  • 微信扫一扫
    一键转发
  • 最前沿的电子设计资讯
    请关注“电子技术设计微信公众号”
  • 发挥系统支撑作用开拓碳中和新蓝图,关键技术助推锂电储 储能正在成为实现“碳达峰”、“碳中和”目标的重要抓手,也是稳定电力系统的重要手段,是实现并保障高比例可再生能源的新型电力系统运行的强力支撑。
  • 电动汽车和充电桩设计提出哪些新的光耦驱动需求? 电动汽车内部存在电池管理、空调和牵引逆变器等各种子系统,工作条件不一,对功率器件及其驱动要求不尽相同。同时,充电桩有交/直流之分,充电功率/速度也不相同。这些不同的子系统和电源系统都会广泛使用光耦器,来进行隔离通信、驱动以及反馈。光耦在传统的工业应用中已非常成熟,那么在电动汽车/充电桩这些新兴应用当中,又有怎样的发展趋势和新的性能需求呢?
  • 独家:美国电动车充电桩标准与安规解读 电动汽车(EV)有可能统治道路——如果充电站给力的话。在率先采用电动汽车的地区,公用事业机构和政府机关已经采取行动,鼓励司机使用电动汽车替换燃油车。
  • 如何开发微型太阳能无线传感器节点 无线传感器节点通过缩减传感器尺寸、简化维护问题和延长电池续航时间来降低实施成本。 本文图文详解了设计无电池设备的最好方法是通过用于通信和能量采集的低功耗蓝牙(BLE)等技术来降低无线传感器系统的平均功耗。
  • 实施安全可靠的汽车应用FPGA解决方案 汽车工业正经历重大的结构化转变。自主驾驶革命增加了电子系统的复杂性和缩短了设计周期。随着人们对安全和燃油效率的关注增加,混合动力车辆和电动车辆的势头越来越猛。 这些车辆的电子系统不仅应满足功能要求,而且还要确保在汽车的整个使用寿命期间无缺陷和故障地安全运行。这些系统中使用的部件必须满足或超过汽车电子协会(AEC)等各种工业团体规定的可靠性标准。安全性关键的汽车应用还应能够防止这些系统功能因为任何未授权访问、篡改或破坏而被改变并导致灾难性结果(包括人命伤亡)。
  • 斯坦福大学开发电动车行驶中无线充电技术 如果电动车在高速公路上行驶时能一面充电,就可以不必担心续航力的问题,而且还有助于降低成本,甚至让电力成为车辆的燃料标准。
  • 从电池供应案例到故障率,车企如何保证动力电池系统性能 本文从多供应商产品管理角度来探讨车企对动力电池系统的管理问题,尤其是在整个车辆完整的生命周期里对这一问题的重要性和影响进行审视。
  • 磁电式能量采集将造福未来的电池、太阳能电池和手机设 随着手机信号塔、移动设备、WiFi、蓝牙、5G等等产生的微波越来越多地充斥着我们的世界,自然而然,科学家们将探讨将这些电磁波转化成能量的方法。犹他州立大学的科学家们发现了一种新方法:在有机半导体内将微波能量转化为电能。
  • 电子工程师:谈谈在大学该学啥没学?啥学了又没用? 更多的老师更专注理论研究,再加上最近几年很多新兴热门专业的诞生,如“生物医学”、“汽车电子”“机器人”等,凭空而降的热门专业老师在哪里?老师们都是被迫临时寒暑假抱佛脚自学成材,开学再教给学生。
  • 电池充电电源噪声的分析和解决思路 设计电池供电的产品时,工程师需要保证电池在实际应用环境中的适用性。相关测试常采用专用电池测试设备,但有时工程师会转而采用标准的通用程控电源对电池充电,并用电子负载对电池放电。
  • EMI 很低的高压充电泵 开关稳压器由于尺寸、输出灵活性和效率优势,成为很多电源转换电路的流行选择。尽管有这些优势,这类电源还必须在其他参数上做出妥协,其中最难的一个就是噪声。
  • 从技术角度分析,GaN和SiC功率器件上量还欠什么? 氮化镓(GaN)和碳化硅(SiC)这两种新器件正在推动电力电子行业发生重大变化,它们在汽车、数据中心、可再生能源、航空航天和电机驱动等多个行业取得了长足的进步。在由AspenCore集团举办的PowerUP Expo大会上,演讲嘉宾们深入探讨了包括GaN和SiC在内的宽禁带(WBG)器件的技术优势以及发展趋势。
广告
热门推荐
广告
广告
EE直播间
在线研讨会
广告
广告
面包芯语
广告
向右滑动:上一篇 向左滑动:下一篇 我知道了